（市政工程专业论文）不同型式浸没式超滤膜组件处理效果中试研究.pdf

签名： f f f j f f f j i y 17 8 8 0 i i ：j 7 究工作及取得的研 论文中不包含其他 学或其它教育机构 所做的任何贡献均 日期：丞! ! ：墨里 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢趁新躲址睨础) 一 摘要 当前饮用水水源水质污染越来越严重，采用新的处理技术与工艺确保水质达 到最新饮用水水质标准，已成为亟需解决的关键问题。其中膜技术是近年来快速 发展的深度处理技术，具有极为广阔的应用前景。 本文研究了以超滤为核心的组合处理工艺的除污染效能。考察了不同型式膜 组件的除污染和运行特性，研究了沉后水的污染物去除与运行条件控制技术，建 立了膜系统运行的最佳工况，为膜技术在水厂工程应用提供了有价值的参考。 采用方型超滤膜和帘式超滤膜两套不同的中试超滤组合工艺系统，研究其对 于沉后水中污染物的去除效果以及最佳的运行方式，并对两种型式膜组件的运行 效果进行了对比。 研究结果表明，浸没式超滤膜直接过滤沉后水时，对浊度有良好的去除效果， 对c o d m l l 具有一定的去除效果，对氨氮、硝酸盐等污染物则处理效果不佳。超 滤膜运行方式是影响浸没式超滤膜污染程度的重要因素。通过优化运行方式可以 有效延缓膜污染，提高产水率并降低运行成本。 膜组件型式对超滤系统的运行方式有很大影响。方型超滤膜系统中超滤膜丝 密度较大，宜采用膜滤间歇曝气的常规运行周期、再配合定期反洗排污的运行 方式；帘式超滤膜系统中超滤膜丝密度较小，常规反洗效果更好，通过优化膜滤 时间和反洗时间及水量可达到更佳的运行效果。研究发现超滤膜的临界通量随曝 气量的增大而变大，随曝气时间的增长而增大，随运行时间与反洗时间比值减小 而增大的。 关键词：浸没式超滤膜；浊度；污染物；运行条件；临界通量 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t 1 1 1 也ec u r r e m ，t 1 1 ep 0 1 l u t i o no fd r i n l ( i n gw a t e rs o u r c e sh a l sb e c o m ei 1 1 c r e a s i i 玛l y s e r i o u s ，a n dm ei i l t r o d u c t i o no fn e wp r o c e s s i n gt e c l l i l 0 1 0 9 y 趾dt h el a t e s tt e c h l o l o g y t oe n s u r et h ew a t e rq u a l i t ) rt o 血n l ( i n gw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d sh a v eb e c o m ek e yi s s l l e s b e c o m eak e yi s s u e st h a tn e e du 唱e n ts o l m i o n s t h em e m b r a n ct e c h n o l o g yi so n eo f t h er 印i dd e v e l o p m e n ta d v a n c e dt r ea _ t m e n tt e c l l i l o l o g i e si i lr e c e n ty e a r s ，w i t l lav e r ) ， b r o a d 印p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt 1 1 i sp a p e r ，t a 虹n gu l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) t r e a t i i l e n tp r o c e s sa sm ec o r e ，t h er e m o v a l o fp 0 1 1 u t i o nw a u si n v e s t i g a t e d t h er e m o v a la r l do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t t y p e so fm e m b r a n em o d u l e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，i na d d i t i o nt om ep o l l u t i o nr e m o v a l a i l dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so nt h es e t t l e dw a t e r 、e r es t u d i e d ，h 嬲e s t a b l i s h e dt t l eb e s t o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fm e m b m es y s t e ma i 】dp m v i d eav a l 瑚l b l er e f e r e n c ef o r m e m b 啪et e c l o l o g yi nw a t e rt r e 锄e n tp r o j e c t u s e i n go fs q 岫r em e m b r a i 】l ea i l d c u r t a i nm e m b r a n e ，m er e m o v a l 甜1 db e s t o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h e 咖d i 仃e r e n ts e t so fp i l o tu l t r a f i l t r a t i o ns y s t 啪、e r e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h eo p e r a t i n gr e s u n sw e r ec o m p a r e d r e s e a r c hs h o w s 也a ti m m e r s i o nu l 协a f l l t r a t i o nh a sag o o dr e m o v a lo nt u r b i d i 够 v m e nd i r e c t l yf i l t r a t es e t t l e dw a t e r ；h a sal i t t l er e m o v a lo nc o d m no ft l = l es e t t l e dw a t e r ， h o 、e v e rt h er e m o v a lo f1 1 i t r a t e ，a 瑚忸o i l i aa i l do t h e rp o l l u l ：锄t sw e r e1 1 0 tg o o d ；t h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n i sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c h 甜f e c t e ds u b m e 玛e dm e m b 眦e p o l l u t i o n t h e 咖d yf o u n d e dt h a tt h em e n l b m ep o l l u t i o nc a i lb ee 虢c t i v e l yd e l a y e d b yo p t i m i z i n gm eo p e r a t i o nm o d e ，m e a i 】w 址l ew a t e rp r o d u c t i o nr a t cw a si i l c r e 嬲e d a n do p e r a t i n gc o s t sw a sr e d u c e d t h em o d eo fu fh a sa 口e a te 虢c to nt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s s q u a r em e m b r 2 u c l e u l 耐i l t r a t i o nm e m b r a l l es y s t e m ，a sh i 曲e rd e l l s i 够觚dt l l er e 嬲o n a b l ew a yt om i li s i n t e r m i t t e mf i l t r a t i n g h o w e v e r ，t i l ec u n a i nu i 觚f i l t r a r t i o nm e m b r a n es y s t e m 嬲t 量1 e d e n s i t ) ，s m a l ia n da n t i w a s m n gi sb e t t e r ，、ec a i lr e a c h 也eb e s to p e r a t i i l gr e s u h so n l y b yo p t i m i z i n gt l l em e m b r a n ef i l t r a t i o nt i m ea n db a c h 髑ht i m e t 1 1 er e s e a c hf o u n d s t h a tt 1 1 ec r i t i c a lm e m b r 锄ef l u xi si n c r e 2 u s i i l g 、析t hm e 锄o u n to fa e r a t i o n ，a e r a t i o n t i i n ea 1 1 dt h er a t i oo fr u n l l i n gt i m e h o w e v e r ，m ec d t i c a lm e m b 砌ef l u xi si i l c r e a s i n g w h e nc o u i l j t e r - w a s l l i n gt i m ei sr e d l l c i n g k e yw o r d s ：s u b m e 唱e dm e m b r a n e ；t u r _ b i d i t ) ，；p o l l u t a n t s ；o p e r a t i i l gc o n d i t i o n s ； c r i t i c a lf l u x i i 一 2 1 1 超滤过程6 2 1 2 超滤膜7 2 1 3 超滤膜组件7 2 2 膜技术去除污染物效能1 0 2 2 1 膜技术去除悬浮颗粒物效能1 0 2 2 2 膜技术去除微生物效能1 0 2 2 3 膜技术去除水中有机物效能1 0 2 3 膜污染及其控制方法1 l 2 3 1 膜污染定义及其种类一1 1 2 3 2 膜污染的影响因素及现状研究。1 1 2 3 3 膜污染的控制方法1 2 第3 章试验材料与试验方法1 3 3 1 实验装置与流程1 3 3 1 1 实验装置1 3 3 1 2 工艺流程1 7 3 2 实验仪器及分析方法1 9 3 2 1 水质指标及分析方法1 9 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 膜临界通量分析方法2 0 3 3 试验原水水质2 0 3 4 本章小结2 1 第4 章方型膜装置处理效果的研究2 2 4 1 弓i 言。2 2 4 2 膜滤影响因素2 2 4 2 1 过滤水头对膜通量影响2 2 4 2 2 跨膜压差对膜通量影响2 3 4 2 3 温度对膜通量影响2 4 4 2 4 跨膜压差与过滤累计水量关系2 4 4 3 方型膜组件超滤工艺的除污染物效能2 5 4 3 1 对浊度去除效果2 6 4 3 2 对c o d m n 去除效果2 6 4 3 3 对氨氮去除效果。2 7 4 3 4 其他水质指标的去除效果。2 7 4 4 方型膜组件临界通量2 9 4 4 1 引言2 9 4 4 2 试验结果与分析3 0 4 5 方型膜组件最佳运行条件3 9 4 5 1 方型膜组件运行方式研究方法4 0 4 5 2 试验条件4 0 4 5 3 评价指标4 1 4 5 4 结果整理与分析4 2 4 6 本章小结4 6 第5 章帘式超滤膜装置处理效果研究4 7 5 1 超滤膜性能测定4 7 5 2 帘式膜装置处理沉后水除污染效能的研究4 8 5 2 1 浊度的去除效能4 8 5 2 2c o d 的去除效能4 9 5 2 3 氨氮的去除效能。4 9 5 3 去除膜污染恢复膜通量的研究5 0 5 3 1 试验方法5 0 5 3 2 最佳反洗时间的确定5 0 目录 5 3 3 最佳反洗水量的确定5 2 5 3 4 最佳曝气量的确定5 3 5 4 两种膜组件的综合效果对比5 4 5 4 1 去除效果的对比5 4 5 4 2 运行方式的对比5 4 5 5 本章小结5 5 结论5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 3 致谢6 4 一v 一 北京工业大学工学硕士学位论文 一v i 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 常规净水工艺效能及其局限性 混凝沉淀过滤消毒等常规饮用水处理工艺对未受污染水源水中的胶体、悬 浮物、微生物等污染物具有良好去除控制效果，对水中的有机污染物有一定去除 作用【l j 。对于未被严重污染的水源，通过常规饮用水处理工艺处理可获得安全合 的饮用水，但随着水源水质的日益恶化，常规工艺的局限性逐渐显现。 ( 1 ) 常规饮用水处理工艺对水中天然有机物去除效果有限，去除率一般在 2 0 一5 0 之问，其中分子量较小的溶解性有机物去除率更低【2 】；对于可同化有机 碳( a o c ) ，常规工艺对其具有一定去除，但效果有限，不到3 0 【3 】；氯化消毒过 程中氯与水中的有机物反应产生大量的消毒副产物( d b p s ) ，如卤代烃、卤乙酸、 卤代酮、卤乙醛、氯酚、卤代硝基甲烷等； ( 2 ) 常规饮用水处理工艺对水中微量有机污染物去除效果不明显【4 】。水中有 机物数量，尤其是毒性污染物的数量，在处理前后变化不大。对于3 一m i b 、藻毒 素等藻类代谢产物，常规工艺对其去除效果较差【5 】；对于人工合成有机物( s o c s ) ， 常规工艺更显得无能为力【6 】； ( 3 ) 常规饮用水处理工艺中的混凝沉淀对氨氮的去除效果十分有限，去除 率通常只有1 0 左右1 7 j 。目前国内大多数水厂都采用折点氯化的方法来控制出厂 水氨氮浓度，来获得必要的活性余氯，但由此产生的大量有机卤化物又导致水质 毒理学安全性下降； ( 4 ) 就无机物而言，常规工艺对f e 2 + 、m n 2 十、f 。等去除率低，若原水中上述 污染物浓度较高，通常需要采用专门曝气、接触氧化、生物氧化、吸附、离子交 换等措施【8 j ；此外，对于亚砷酸盐( a s ( i i i ) ) ，若采用常规工艺处理，常常采取高锰 酸钾预氧化等强化去除工艺 9 ，1o 】； ( 5 ) 就微生物而言，常规工艺对细菌、大肠杆菌等微生物去除控制效果好。 但如果原水受到贾第虫、隐孢子虫的污染，当常规工艺的快滤工艺运行不善时， 往往会导致上述微生物穿透滤池；另一方面，常规氯消毒工艺对微生物的灭活能 力差，这样有可能导致贾第虫、隐孢子虫、军团菌等导致的疾病的爆发【1 1 1 。在这 种情况下，利用臭氧及其组合工艺进行消毒或采用慢滤池过滤工艺就显得尤为必 要【1 2 1 3 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 超滤膜分离技术的特点及应用 超滤膜技术在净水处理中具有广阔的应用前景，有“二十一世纪的水处理技 术”之称。由于膜分离水中杂质的主要原理是机械筛分，出水水质仅仅依据膜孔 径的大小，与原水水质以及运行条件无关，因此膜分离技术的特点是能提供稳定 可靠的水质。此外，膜分离技术的应用会使水厂占地面积减小，运行操作自动化 成度较高。在膜法水处理中，应用较多的是反渗透膜和纳滤膜。但是反渗透是海 水净化和超纯水制备的工艺，除操作压力高，能量消耗大以外，由于处理水“纯 度”较高，使水中的矿物质和对人体有有益的粒子也不能保留，所以用这种方法 净水是否适当，已经成为目前争论的一个问题。与反渗透相比，超滤和微滤方法 由于操作压力低，能量消耗小，近年来在国外作为常规水处理的替代方法的研究 和应用越来越多。由于超滤的出水水质佳，他的应用研究更备受关注。我国今几 年在超滤膜材料生产的工艺和技术上也有很大的进展，所以这使超滤取代常规水 处理工艺在国内成为可能。 膜分离技术是利用天然或人工合成的具有选择透过性能的薄膜，以外界能量 或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富 集的方法。按膜孔径或截留分子量( m w c o ) ，主要可分为纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、 超滤( u f ) 和微滤( m f ) 膜。 1 2 1 超滤膜分离技术的特点 超滤是常见的膜分离技术的一种。它是介于微滤和纳滤膜之间的一种膜过滤 过程，膜孔径范围为o 0 5 岬”l n m ，截留分子量为1 0 3 1 0 6d a l t o n ( 简称d a ) ，操作 压差为0 1 1m p a 。可以去除溶剂中病毒、细菌、胶体、悬浮物质以及大分子有 机物。广泛地用于电子、电泳漆、食品化工、医药、环保和物质回收等多个领域。 超滤膜在实际中应用的时间不长，但是因其具有过滤精度高的优点，已成为当今 世界上膜分离技术领域中独树一帜的重要的过滤技术。当超滤膜分离技术用于饮 用水处理时，具有以下的特点： ( 1 ) 出水水质稳定，不说原水水质的影响1 1 4 j 。 ( 2 ) 出水生物稳定性好。由于超滤膜可以完全地截留微生物，保证了出水的卫 生安全性，起到了一定的消毒的作用，提高了出水的生物稳定性，同时又大大减 小了管网的二次污染l l 孓1 7 j 。 ( 3 ) 超滤膜的应用能够减少混凝剂和消毒剂的投加量，减少消毒副产物的产 生。这是由于超滤膜能截留水中的微生物，降低消毒时加氯量；同时超滤膜过滤 能过去除部分或全部的有机物。这两方面的作用能够减少消毒副产物的产生引。 第1 章绪论 ( 4 ) 膜分离技术只用压力做动力，因此膜装置简单，操作容易，自动化程度较 高，维护比较方便。 由以上的特点我们可以认为超滤膜技术是在水质日益恶化情况下，能够达到 高质量高可靠性的饮用水净化技术之一。 1 2 2 超滤膜分离技术的发展 2 0 世纪9 0 年代超滤膜在饮用水厂的应用有了快速的发展。据调查，1 9 8 9 1 9 9 0 年，世界利用超滤技术的水厂只有4 座，而到9 9 6 年，世界利用超滤技术的水厂已 达3 4 家，总产水能力己超过1 8 6 万m 3 d 。 我国对超滤技术的开发是从2 0 世纪7 0 年代起步的，在8 0 年代得到迅速发展， 开发了多种型式膜组件。首先开发了管式膜组件，随后开发了中空纤维、板式和 卷式超滤膜装置。膜材料发展也比较迅速。从原来单一的醋酸纤维素( c a ) 扩大到 聚矾( p s ) 、聚偏二氟乙烯( p v d f ) 、聚碳酸脂( p c ) 、聚丙烯睛( p a n ) 、聚醚砜( p e s ) 和尼龙( n y ) 等多种材质，形成截留分子量为5 0 0 1 0 0 0 0 0d a 的一系列产品。 超滤工作者面临的主要课题是研制和开发出截留分子量更加敏锐、抗污染能 力更强的超滤膜组件，这也是超滤技术向更高水平发展的关键所在。就超滤的实 际应用而言，膜污染问题是影响其可靠性和稳定性的决定性因素，因此膜污染问 题被膜科技界专家列为超滤的首要研究课题之一。 1 2 3 超滤膜分离技术的应用 随着超滤技术的不断发展，超滤技术越来越多的应用于饮用水水和污水处理 工艺，总结原因主要有以下七点f l9 j ：( 1 ) 水质指标要求更加严格；( 2 ) 水质的日益 恶化和现存可用水源的不足。随着经济的快速发展，大量未经处理的生活污水和 工业废水直接排入水体，使水源污染日益严重；另一方面，随着社会发展和人民 生活水平的不断提高，饮用水水质指标越来越高。传统的混凝沉淀一过滤一消毒处 理工艺已难以满足日益严格的水质要求；( 3 ) 污水回收和再利用的要求不断提高； ( 4 ) 超滤使水厂占地面积减小，较低成本；( 5 ) 膜技术自动化程度较高，维修成本 较低；( 6 ) 超滤能减少传统水处理工艺中化学药剂的使用量；( 7 ) 超滤的能耗较低。 上个世纪8 0 年代，在欧洲和澳大利亚，人们开始研究超滤膜分离技术应用于 饮用水处理的处理效果。o l i v i 耐研究中空纤维微滤膜发现：直接处理处理地表水 时超滤出水浊度很稳定，一直低于o 2 n t u l 2 引。j a c a l l g e l o 等人通过对超滤的研究 发现：无论进水水质如何，超滤的出水浊度一直在0 4 n t u 以下【2 l ，2 2 1 。就浊度的 去除率而言，超滤技术远远优于常规的过滤工艺，并且在控制t h m s 上也有显著 北京工业大学工学硕士学位论文 的效果。美国应用超滤技术的自来水厂中，无论规模大小，其出水浊度平均为0 0 5 n t u ，颗粒浓度低于1 个m l 【2 3 1 。近年来，由于隐抱子虫( c r y t o s p o r i d i 啪) 和贾第 虫( ，g i a r d i a ) 等寄生虫穿透滤池进入管网，在美国、英国以及一些欧洲国家发生多 起严重的肠道传染病。由于这些寄生虫体积极小，容易穿透滤池，并且对传统的 消毒剂有很强的抵抗力。美国19 8 9 年制定的地表水处理规划( s w t r ) 要求对贾第 虫的去除率达到3 一l o g ，对病毒的去除率达到4 一l o g 。然而传统的混凝沉淀一过滤一 消毒处理工艺很难达到这一要求【2 4 ，2 卯。但是超滤对两虫的去除率可达到5 1 0 9 ，对 病毒的去除率达到8 一l o g 【2 6 ，2 ”。1 0 0 0 l 水样试验中，也未检测出两虫、细菌和其它 微生物渊。 超滤膜水厂发展迅速。l9 8 8 年在法国建成了第一座应用超滤膜技术水厂，而 2 0 世纪末全世界己建成了5 0 多家应用膜技术的水厂【2 9 】，生产规模逐渐提高，最高 的可达到5 0 ，0 0 0 m j d 。 由于高效截留能力，超滤膜对水中的杂质、悬浮物质、细菌和寄生虫具有可 靠的去除效果，此外超滤处理能力大，操作压力小，投资少而且自动化程度较高， 所以超滤得到了更广泛的应用。但它对水中有机物尤其是小分子有机物的去除效 果不太理想，出水不能达到水质指标，因此人们开始研究将超滤膜与其他预处理 技术相结合的膜工艺，以针对不同污染类型的原水水质，有选择地去除水中的特 定污染物质。这种组合工艺在饮用水水处理中得到了越来越多的重视，国外这方 面己有了一定的发展和应用，国内相关的工作才刚刚起步，所以需要研究的地方 还很多。 随着超滤膜技术的发展和逐渐成熟，各种型式的超滤膜组件不断涌现。根据 膜组件的型式超滤膜可以分为毛细管式、中空纤维、管式、卷式板和框式。其中 中空纤维膜根据过滤方式的不同超滤膜主要分为内压式超滤膜和外压式超滤膜。 内压式组件的分离层在纤维的内表面，使用时，原水从组件的一端进入中空纤维 的内腔，在压力的作用下，一部分水和小分子物质透过膜成为产水，水中污染物 被截留在内腔流向组件的另一端，成为浓水。内压式超滤膜机械强度高，产水稳 定。但是膜元件内膜表面积小，其水通量也较小；膜丝直径较小易被污染物堵塞。 而且当原水水质出现波动时，膜丝污染情况更加明显，容易出现产水量偏小、污 染物度快等问题。内压式超滤膜对原水水质要求较高，不适用于处理水质波动较 大的地表水。 外压式与内压式相似，但分离层在超滤膜的外表面，原水从组件的进水端进 入膜池，浓缩液从组件的侧口排出，透过液在纤维内腔流向另一端形成产水。外 压式超滤膜的特点是膜丝外空间大，膜表面积较大，水通量较大，因而在运行时 纳污量较大、抗堵塞、对原水水质要求低。运行方式灵活，可选择死端过滤或错 流过滤。反洗周期和清晰周期相对较长。运行压差相对较低。 第l 章绪论 外压式超滤膜根据滤膜安装方式有很多种。本课题中涉及到两种超滤膜装 置，分别为方型超滤膜装置和帘式超滤膜装置。 1 3 研究目的、内容及课题来源 1 3 1 研究目的 在目前水源水质恶化且在相当长的一段时期内仍难以根本好转的状况下，膜 技术以及以膜单元为核心的饮用水处理工艺不失为经济、高效、可行的水处理技 术之一。其中，超滤以出水水质佳得到更多的关注。国外已经对超滤过滤地表水 做了一些研究和开发，并且已经建厂生产饮用水，但目前的应用只是适应原水水 质情况较好的水源【4 l 。4 2 。而超滤膜的研究中主要针对内压式超滤膜，而对不同型 式的浸没式外压式的超滤膜在饮用水处理中的运行方式、处理效能、膜污染的影 响因素等问题的研究较少。 本论文的研究目的就是针对两种不同形式的浸没式外压超滤膜装置方 型超滤膜装置和帘式超滤膜装置，分别考察它们对于水中污染物的处理效能，并 通过中试规模的试验研究两种超滤膜装置长期稳定运行的运行参数，为老水厂的 改造提供理论依据和参数支持。 1 3 2 研究内容 本文研究内容主要是超滤膜工艺处理沉后水生产饮用水，研究超滤膜技术取 代常规砂滤池的可行性。主要包括以下几个内容： 1 考察方型膜装置处理沉后水的处理效能； 2 考察跨膜压差和膜通量的影响因素； 3 考察方型膜装置的临界通量； 4 考察方型膜通量的最佳运行参数； 5 考察帘式膜装置处理沉后水的处理效能； 6 考察帘式膜装置的最佳反沈时间，最佳反洗水量以及最佳的曝气量。 2 1 超滤膜组件 2 1 1 超滤过程 超滤过程可以用图2 1 表示，水中颗粒、悬浮物和胶体等在膜的一边，在推 动力下，水和一些小分子透过了超滤膜，而大分子和颗粒、悬浮物以及一些胶体 则被截留在膜的另一侧。 原料 l 1r1r 1r1r 渗透物 a 死端操作 原料 + 渗透物 b 错流操作 物 图2 - 1 超滤膜过滤方式 f i g 2 1o p e r a l i o nm e 咀1 0 d so f u 甲 图2 1 中( a ) 为死端过滤，所有原水在推动力作用下被强制透过超滤膜，原 水中被截留组分的浓度不断增加，膜表面污染物逐渐积累，使净水产量逐渐减低， 因此，死端过滤是间歇式的，必须周期性地清洗膜面的污染层或更换膜；( b ) 为 交叉流过滤，又称错流过滤，原水被分成两股：净水流和浓缩水流，浓缩水流流 经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，对进水侧的膜表面起到水力冲 刷的作用；另外，浓缩水流在膜表面上的流动也能冲洗膜表面，降低膜表面的浓 差极化，增加膜通量。 当料液中能被膜截留的物质浓度很高时，膜的过滤阻力增长的很快，此时多 采用错流过滤方式。错流过滤时，高速流动的料液能将沉积在膜表面的物质带走， 从而减慢了过滤阻力的增长速度。本课题中，方型超滤膜装置和帘式超滤膜装置 都采用死端过滤方式，这是因为待滤水为沉后水，水质相对原水已经有了很大提 高，为了降低能耗，所以采用了这种静态操作的方式。但是，由于被截留的物质 在膜表面不断的积累，膜的过滤总阻力持续增大，导致膜通量逐渐降低，为了维 持膜通量，死端过滤时需要对膜组件进行定期的反冲洗。对于死端过滤来说，频 第2 章超滤膜技术研究现状 繁的反冲洗会降低膜的生产能力。 2 1 2 超滤膜 超滤膜多为不对称结构，由表皮层和多孔层组成。表皮层极薄且表面密布一 定尺寸的微孔，起分离作用；多孔层较厚且具有海绵状或指状结构，起支撑作用。 超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，目前商品化的超滤膜绝大部分都是采 用聚合物材料由相转化法制备的，常用的材料包括：聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、 聚氯乙烯等。超滤还常用于大分子溶液浓缩，即较大的分子被截留而小分子( 和 溶剂) 自由通过膜。超滤膜特性小结见表2 1 。 表2 1 超滤膜特性 t a b k2 1c h l r a c t e r i s t i c so fu f 膜不对称多孔 厚度1 5 0 m 膜孔径 1 1 0 0 姗 推动力压力( 0 0 5 o 5 m p a ) 分离原理 筛分机理 膜材料聚合物( 如聚砜、聚丙烯晴) 陶瓷( 如氧化锆、氧化铝) 主要应用 乳品( 牛奶、乳清、干酪制造) 食品( 土豆、淀粉和蛋白质) 冶金( 油一水乳液、电泳漆回收) 水处理 膜孔径的大小决定了超滤膜的分离特性和透水性。由于超滤膜主要用于分离 大分子物质，所以切割分子量( m w c o ) 能反映超滤膜孔径的大小，许多制造 商也正是采用m w c o 来表征超滤膜的分离性能。m w c o 是指9 0 能被膜截留 的物质的分子量。如某种膜的截留分子量为1 00 0 0 d a ，意味着分子量大于1 00 0 0 d a 的所有溶质有9 0 以上能被这种膜截留。目前国内各研究单位和厂家对切割 分子量大于1 0o o od a 的膜一般用球形蛋白测定【4 3 1 ，小于1 00 0 0d a 的膜多用聚 乙二醇或葡萄糖测试。本课题试验中，均采用切割分子量为5 00 0 0d a 的中空纤 维式超滤膜。 2 1 3 超滤膜组件 膜组件指超滤膜安装过程中的最小单元，一般超滤膜装置由若干膜组件构 成。超滤膜的膜组件形式有很多种，主要包括管式、板框式、卷筒式和中空纤维 北京工业大学工学硕士学位论文 式。各种膜的特征及优缺点见表2 2 。 表2 2 各种膜组件的特征及优缺点比较 t a b l e2 2c o m p 撕s o no fd i 船r e n tu l 舰f i l t r a t i o nm o d u l e 膜组件类膜的使用 膜的装填 支撑体结 堵塞程度 清洗程度膜更换 型 侧 密度 构 平板式中复杂易堵容易很容易 圆管式管内 小 简单 不易堵塞很容易较容易 管外小较复杂不易堵塞较复杂 较难 螺旋卷式较大简单易堵较复杂不可能 中空纤维很大不需要易堵复杂不可能 在实际工程中如何选用膜组件，主要取决于膜材料以及被处理液的性质。本 课题超滤膜选用中空纤维式膜，中空纤维超滤膜组件具有装填密度大、结构简单、 操作方便等特点，分离过程为常温操作，无相态变化，节省能源，并且不产生二 次污染。膜装置有微电脑自动控制型和一般手动控制型，可采用正向清洗与反向 清洗两次方式，也可以在线清洗。课题研究中使用的中空纤维膜组件构造如图2 。2 所示。 j， ， ； 善 ： 一 ：原披流动方向 i 原液流动方向 占净化液流动方向 ：挣化液流动方向 a 浸漫式膜 b 内压式膜 图2 2 膜组件构造示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po fm e m b r a i 屺m o d u l e 图2 2 中( a ) 为浸没式膜，亦即外压式膜组件构造示意图，原液在中空纤 维膜管外流动，利用膜内腔的抽吸负压，使被处理的原液由外侧向内侧过滤，净 化液经集水管收集；图2 2 ( b ) 为内压式膜组件构造示意图，原液在中空纤维膜 管内流动，在外加压力的作用下，被处理的原液由管内向管外渗透过滤，净化液 经集水管收集。 近年来超滤膜分离技术在饮用水领域得到迅速发展。与传统水处理工艺相 比，超滤膜具有较高的过滤精度，能高效截留水中悬浮物、胶体杂质、细菌和病 第2 章超滤膜技术研究现状 原菌，出水水质好而且稳定，安全性能高等特点。因此，超滤技术不仅是保障水 的微生物安全性的最有效技术，同时还在很大程度上提高了水的化学安全性。其 中浸没式超滤膜因具有产水量高、能耗低、便于与其它工艺相结合等优势受到广 泛重视，成为替代水厂传统处理工艺的最佳技术选择之一。与内压式膜相比，浸 没式外压超滤膜能耗低，易于同其他工艺相结合，适用于新建，尤其是已建水厂 的升级改造。 外压式超滤膜装置根据滤膜具体安装方式的不同可分为方型超滤膜装置和 帘式超滤膜装置。帘式超滤膜组件的安装方式如图2 3 所示。滤膜簇并排两端安 装在两个集水管上，多个组件并排放置。这种安装方式滤膜之间距离较大，滤膜 密度较小，但是占地面积较大。 图2 3 帘式膜组件示意图 f i g 2 - 3d i a g r a j l lo fc u r t a i n 乙fm o d u l e 方型超滤膜装置的滤膜组装方式如图2 4 所示。 图2 4 方型膜组件示意图 f i g 2 4d i a g r a mo fs q l l a u r eu fm o d u l e 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 簇超滤膜簇分5 行5 列均匀分布在2 0 0 2 0 0 m m 模板上，这样就形成了 高密度的超滤膜装置，在o 0 4m 2 的模板上就有高达4 8 m 2 的膜面积，极大的减小 了占地面积。 2 2 膜技术去除污染物效能 2 2 1 膜技术去除悬浮颗粒物效能 反映颗粒物浓度的指标包括浊度和颗粒计数。浊度是指水中悬浮物对光线透 过时所发生的阻碍程度，不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、 形状及折射系数等有关，因此采用浊度不能够完全表示出膜的去除效果。而颗粒 计数则是在水处理中专门为考察膜技术而设计的指标，在一定程度上反映出膜工 艺对水中的微粒的去除效果，对于考察水中的病毒和微生物的去除有较大的意 义。k a r i r d i l 等人【3 l 】的试验表明，超滤工艺能有效的去除水中悬浮颗粒物，主要 是截留筛分作用为主。如直径在5 岫p 1 5 岬范围的微粒的平均对数去除率为 3 3 4 4 l o g ，而粒径范围在2 岬一5 岬的颗粒的对数去除率2 3 5 5l o g 。 2 2 2 膜技术去除微生物效能 如何有效的去除水中致病微生物是当前饮用水处理中面临的难题之一。常规 的消毒工艺不能保证全部灭活水中的致病微生物，而且有产生消毒副产物的风 险。随着超滤技术的发展，人们开始研究将超滤应用于微生物的去除。j a c a l l g e l o 等人的研究发现超滤膜能够有效的去除水中原生动物和病毒。原生动物的去除效 果与超滤膜孔径有关。通过超滤膜组件处理后的出水中，检测不到贾第虫、隐孢 子虫以及原生动物。研究发现其主要作用机理是物理截留；而病毒的去除效果则 受多方面的影响，超滤膜的物理截留、滤饼的形成以及滤饼的吸附、膜孔的堵塞 都能影响病毒的去除效果；该研究还发现保持膜的完整性可使超滤对微生物达到 最佳的去除效果。为了提高病毒的去除效果，有人提出了对超滤膜进行预处理， 用胶粒将其大孔堵住，以此来提高处理效果，此法取得了很好的效果并在进一步 研究中。 2 2 3 膜技术去除水中有机物效能 水中溶解性有机物的相对分子质量比较小，而微滤膜工艺中的膜孔径较大， 因此并不能有效的去除水中的有机物。在k a r i i i l i l 等通过研究微滤膜直接过滤地表 水，发现微滤对水中t o c 的去除率仅为1 0 左右，并且与膜通量无关。很多人对 超滤膜处理水中有机物进行了研究，由于试验条件的不同得到的结论也不尽相 第2 章超滤膜技术研究现状 同。l a i n e 等【3 2 】研究了超滤膜直接过滤地表水的试验，过滤方式采用死端过滤， 发现超滤膜对水中t o c 的出去率为4 2 。t a y l o r 等人研究了不同截留分子量的超 滤膜对水中有机物去除效果。通过对比截留分子量在2 ，0 0 0 4 0 ，o o o d a 之间的不同 的膜对水中的有机物的处理效果，发现高截留分子量的超滤膜对t o c 的去除率只 有5 ，而低截留分子量的超滤膜对水中t o c 的去除率可达到5 7 以上。b i a i l 等【3 3 】 研究了高截留分子量的超滤膜对水中有机物的去除效果。结果显示当截留分子量 大于5 0 ，0 0 0 d a 时，超滤膜对水中有机物的处理效果趋于平稳，并且有机物去除效 果与截留分子量高低并没有显示出相关关系，水中有机物的去除效果主要与膜的 型号、膜材料以及膜的亲水性有关。总体来说对t o c 的去除率为2 0 左右，对 t h m f p 的去除率为1 5 左右，其去除率与孔径为o 1 岬的微滤膜的处理效果相 当。董秉直等1 3 4 钡8 定了华东地区地表水有机物相对分子质量的分布，结果表明地 表水中溶解性的有机物的相对分子质量大都很低，相对分子质量低于4 ，0 0 0d a 的 溶解性有机物占5 0 以上。c o s t a 等的试验结果表明水中大多数溶解性有机物的相 对分子质量小于1 ，3 5 0 d a 。由此可以得出截留分子量较大的微滤对水中有机物的 去处效果并不理想，而只有采用截留分子量极低的超滤膜才能对水中有机物达到 较高的去除率。 2 3 膜污染及其控制方法 2 3 1 膜污染定义及其种类 膜污染指的是超滤膜处理原水时，由于膜的机械筛分作用以及物理化学作 用，水中的杂质、悬浮物质、胶体以及大分子有机物在膜表面或膜孔内吸附、沉 积，造成膜孔变小或堵塞，使膜通量下降的现象。膜污染不但影响膜的稳定运行， 而且还使膜的使用寿命缩短，增加膜处理的经济费用。膜污染是限制膜在水处理 领域推广应用的主要障碍。 膜污染根据污染物位置不同可分为两类：第一类是膜孔污染，指水中污染物 质沉淀、吸附于膜孔内部，造成膜孔变小或堵塞，使膜过流通量下降；第二类是 膜表面污染。又可细分成四类：( 1 ) 原水中的悬浮物沉积在膜表面形成滤饼层；( 2 ) 原水中污染物质吸附于膜表面形成吸附层；( 3 ) 溶解性有机物发生浓差极化，在膜 表面形成凝胶层；( 4 ) 溶解性无机物过饱和、沉淀等积附于膜表面形成水垢层【3 5 j ， 2 3 2 膜污染的影响因素及现状研究 影响膜污染特性的主要因素包括膜的性质、料液的性质和膜分离操作条件。 这三个方面在不同情况下影响膜污染，并且对膜污染影响程度也有所不同。 北京工j 世大学工学硕士学位论文 膜材料特性包括膜的材质、孔径大小、孔隙率、粗糙度和疏水性等；混合液 性质包括水中的有机物浓度、溶液p h 值、离子强度、电荷组成、颗粒粒径分布 等；膜组件的运行操作条件主要包括：膜通量、操作压力、膜面流速和运行温度 世 号 o 2 3 3 膜污染的控制方法 研究发现，膜污染在实际应用中通过采取不同措施而得到一定程度上的预防 和延缓，进而可以提高膜装置处理能力，增长膜使用寿命。实际应用中我们通常 通过选用合适材质的膜组件；对膜面进行预处理；对原水进行预处理，改善膜迸 水的特性；优化运行条件等措施来延缓膜污染的形成，但膜污染势必会越来越严 重，因此必须对膜装置进行定期的清洗，以回复膜的处理能力。 膜的清洗方法可分为物理清洗、化学清洗和生物清洗。选择何种清洗方式主 要取决于膜的构型、种类和耐化学试剂能力及污染物的种类。 膜污染的物理清洗是借助于机械力、声波、热力、光清除杂质，使膜的分离 性能得到恢复的技术。物理清洗技术可分为清水或气、水混合液正向冲洗、反向 冲洗和水力输送海绵球去除软质堵塞物及超声波清洗膜面等p 6